一起500 kV 电容式电压互感器异常现象分析及其防范措施

一起500 kV 电容式电压互感器异常现象分析及其防范措施齐佳鑫;马宏光;安希成
【摘要】针对某500 kV 变电站 TYD 500/3-0.005H 型电容式电压互感器三相输出电压不平衡问题,通过对故障互感器进行试验,初步判断故障原因为电容式电压互感器有电容元件击穿,并进一步对故障互感器进行解体分析,发现 U 相低压臂 C2内部有1个电容元件击穿,W 相高压臂 C1内部有5个电容元件击穿,造成 U 相二次输出电压降低,W 相输出电压增高。

在此基础上分析了电容元件击穿的原因,并从出厂把关、定期试验、备品备件储备等5方面给出了相应预防措施。

%In allusion to the problem of three phase output voltage imbalance of TYD 500/ 3-0.005H typed capacitive volt-age transformer in some 500 kV substation,by means of experiment on the faulted transformer,reason for the fault was ini-tially judged as capacitor element breakdown.It was discovered that there was one capacitor element breakdown inside low voltage arm C2 of U phase and five capacitor elements breakdown inside high voltage arm of W phase which caused reduc-tion of secondary output voltage of U phase while increase of output voltage of W phase.Reasons for capacitor element breakdown were analyzed on the above analysis basis and relevant precaution measures were proposed in aspects of factory quality ensurance,routine test,reserve parts storage,and so on.
【期刊名称】《广东电力》
【年(卷),期】2015(000)008
【总页数】4页(P77-80)
【关键词】电容式电压互感器;电压不平衡;高压试验;元件击穿
【作者】齐佳鑫;马宏光;安希成
【作者单位】广西电网有限责任公司柳州供电局，广西柳州 545006;云南电网有限责任公司德宏供电局，云南德宏 678400;深圳供电局有限公司，广东深圳518000
【正文语种】中文
【中图分类】TM451
某500 kV变电站型电容式电压互感器（capacitor voltage transformer，CVT）于2002年投运，2014年2月10日变电站监控系统显示500 kV龙沙甲线路三相电压分别为297 kV、310 kV、311 kV（正常电压在306～308 kV之间），500 kV主变压器1、主变压器2保护显示电压及500 kV龙沙甲线5041CVT端子箱空开进线端测量线路二次电压均分别为59 V、62 V、62 V，开口三角零序电压4.8 V。

CVT输出电压不平衡给变电站安全稳定运行带来隐患，通过对该故障CVT数据测试及解体分析，查出了故障的根本原因，并提出具体防范措施。

1 试验分析
根据CVT的结构和分压原理（如图1所示）［1－2］，500 kV CVT的高压臂C1是由3节（C11、C12、C13）外观独立的电容器串联而成，每节电容器又是由多个小电容器串联而成；低压臂C2是由多个小电容器串联而成，它是由处于设备下节C13抽头形成。

图1 电容式电压互感器原理
根据电容器串联分压原理，在运行中当CVT二次输出电压偏低时表明分压器的低
压臂C2容抗降低，C2容抗降低则表明低压臂电容器电容量有增加。

而造成电容
量增加有两个原因［3－5］，一是C2电容器受潮，造成电容元件极间绝缘介质的介电系数ε增大，而ε增大后随之电容量也增大；二是低压臂串联组有小电容器元件短路，短路造成串联数量减少电容量随之增加，而二次输出电压偏高时则表明CVT的高压臂C1的容抗降低了，C1阻抗降低则表明高压臂电容器电容量有增加，和前述原理相同，即高压臂串联组受潮或小电容器元件短路。

基于以上分析，需在设备停电时测量高压臂C1、低压臂C2的电容量和介损来证明理论分析的正确性。

2014年3月15日，阴雨天气，试验人员对停电的500 kV龙沙甲线5041CVT进行了电容量和介损测试［6－7］，测试时，U、V、W相的C11采用反接低压屏
蔽法，C12采用正接法，C13采用自激法；U、V、W相的C11、C12加压10 kV，C13、C2加压2.5 kV，试验结果见表1。

从表1可以看出，各相CVT的高、低压臂的介损数据符合规程要求，排除了电容器受潮的可能。

各节电容量的误差也均满足预试规程的要求范围。

当天现场用常规的高压试验方法未能检测出龙沙甲线5041CVT输出偏低的原因。

随后对500 kV龙沙甲线5041CVT进行相位差、比
差试验［8－9］，结果见表2。

表1 500kV龙沙甲线5041CVT电容量和介损测试结果注：Cr—设备额定电容值；δ—介质损耗角；Cm—实际测量电容值；ΔC—测量值与额定值的差值与额定值的百分比。

相别电容 Cr／nF Cm／nF ΔC／% tanδ／%额定测量U C11 15.03 15.16 0.86 0.042 0.062 C12 15.06 15.28 1.46 0.046 0.092 C13 17.74 17.90 0.9 0.044 0.051 C 2 96.58 97.29 0.74 0.044 0.130 V C11 15.06 15.29 1.53
0.044 0.087 C12 15.04 15.22 1.19 0.046 0.095 C13 17.69 17.82 0.73 0.040 0.058 C 2 95.64 96.11 0.49 0.040 0.063 W C11 14.94 15.06 0.8 0.046 0.058
C12 15.02 15.11 0.6 0.050 0.056 C13 17.42 17970 3.16 0.040 0.467 C 2
93.53 94.16 0.67 0.040 0.080
表2 500kV龙沙甲线5041CVT相位差、比差试验结果注：Ur—额定电压；情况1—二次绕组1的二次负荷值为50 VA，功率因素cosφ＝0.8；二次绕组2的二次负荷值为100 VA，功率因素cosφ＝0.8。

情况2—二次绕组1的二次负荷值为
2.5 VA，功率因素cosφ＝0.8；二次绕组2的二次负荷值为0VA。

相别情况相位差／（°）80%Ur100%U r比差／%80%Ur100%U r U 情况1情况2 20 20－
3.63－3.50－3.63－3.49 V 情况1情况2 3.8－0.2 3.3－0.5 0.434 0.544 0.436 0.552 W 情况1情况2 6.2 0.8 5.7 0.6 1.28 1.35 1.29 1.36
表2试验结果表明CVT的U、W相存在严重的变比超差，U相负超差为－3.63%，W相正超差为1.29%，V相CVT存在精度上的比差超差0.436%。

结合前面的介
损数据排除受潮后，认为U相低压臂C2和W相高压臂C1内部有电容元件击穿，V相存在因长期运行后介电系数ε漂移变化，造成电容量的变化致使比差精度超差，三相CVT均不合格。

但是U、W相内部元件击穿的部位和故障细节仍无法确认，为此将三相CVT拆下运回室内再次用常规高压试验方法对其进行试验，着重检查
电容量变化的情况，测量数据见表3（测量接法同表1）。

表3 500kV龙沙甲线5041CVT电容量和介损室内测试结果相别电容 Cr／nF Cm ／nF ΔC／% tanδ／%额定测量U C11 15.03 15.24 1.4 0.042 0.092 C12 15.06 15.16 0.66 0.046 0.073 C13 17.74 17.99 1.41 0.044 0.093 C 2 96.58 101.20 4.78 0.044 0.112 V C11 15.06 15.23 1.13 0.044 0.065 C12 15.04 15.21 1.13 0.046 0.094 C13 17.69 17.77 0.45 0.040 0.063 C 2 95.64 95.77 0.14 0.040
0.07 W C11 14.94 15.01 0.47 0.046 0.064 C12 15.02 15.11 0.6 0.050 0.055
C13 17.42 18.38 5.51 0.040 0.068 C 2 93.53 93.88 0.37 0.040 0.059
本次试验测出了各节电容器的超差部位（有元件击穿故障的部位），U、W相均
是在下节出现问题，U相下节内的C2低压臂有电容元件击穿，W相下节内的高
压臂有电容元件击穿。

对比出厂时的电容量来计算传热系数K值，U相的K值偏差为－3.42%、W相K
值偏差为－0.73%、W相K值偏差为＋1.48%，与比差试验数据对比趋势基本吻合。

2 返厂解剖分析
根据试验数据的分析结果基本确定了5041CVT的故障点，但仍需解剖进行探查，从而进一步分析设备制造过程中存在的工艺材料问题。

2014年8月11日，设备
厂家对5041 CVT的U、W相下节进行解剖检查，发现CVT整体密封良好，油位正常，未见受潮和杂质，器身由152个饼状矩形的电容元件串联叠装而成，固定
良好，无位移和破损现象，但对元件逐个检查发现U相下节低压臂第19个电容元件击穿，W相下节高压臂第14、48、51、74、96个电容元件被击穿，如图2所示，解剖结果与理论分析和试验数据分析结果吻合。

3 电压不平衡原因及元件击穿原因分析
3.1 电压不平衡原因分析
根据前述的试验数据分析和对设备的解剖分析认为500 kV龙沙甲CVT输出电压
不平衡的原因是U相低压臂C2有1个电容元件击穿，造成U相低压臂电容量由96.58 nF增加到101.20 nF，低压臂容抗降低，U相输出电压降低；W相高压臂
C1内部有5个电容元件击穿，造成W相高压臂电容量由17.42 nF增加到18.38 nF，高压臂容抗降低，W相输出电压增高；V相因长期运行造成介电系数ε漂移，导致电容量的变化致使比差精度超差。

图2 被击穿的电容元件
3.2 电容元件击穿原因分析
从电极的几何形状看，电容元件是绕成圆筒后压扁成矩形块状，电场分布最集中的地方是电极的边沿和压折处，这些部位铝箔形状突变造成电力线集中，是场强最强
的部位，边沿的切边也容易存在毛刺，压折处应力大，压折过程中铝箔和纸膜容易出现微小裂痕或折痕，这些都是绝缘最薄弱之处［10］。

从6个击穿元件看，击
穿点的位置有3个是在电容极板的压折处，有3个是在电容极板的平面处，因此
认为电容器元件极间绝缘采用的绝缘是纸膜结构，绝缘裕度能满足运行电压的需要，造成压折处击穿的原因是制造工艺不良造成的，在元件从圆筒状压扁成块状的过程中，压折处出现了微小的裂痕或折痕；造成平面处击穿的原因是元件在绕制过程中有微小杂质颗粒进入到电极平面处，这些裂痕或折痕、杂质颗粒使得该处形成电场特别集中的不均匀电场，局部场强超出该处绝缘的强度，经过若干时间运行后该处绝缘逐渐被强电场电蚀，最后形成元件的击穿点。

4 整改措施及建议
a）持续开展对供应商进行监督考评，促进厂家改进工艺提高制造质量；掌握设备的结构特点和制造工艺要求，在设备选型、评标、监造、验收过程中充分发挥设备业主作用。

b）按照计划每4年进行相位差比差试验，及时发现超差问题，减少计量损失；总结现场试验中存在因不拆线、干扰、挂钩接触不良等造成测试数据不准确问题经验，提高现场测试技能水平。

c）掌握CVT少量超差时的现场调试技术（含吊、拆、调），实现快速处理现场微量超差问题。

d）做好备品备件储备，各种电压等级的CVT应备有1组备件，以提高故障情况
下的抢修进度。

e）220 kV及以下的电压互感器应尽量使用误差性能稳定的电磁式结构的电压互
感器。

5 结束语
电容式电压互感器变比超差严重影响计量的准确性，将对电网企业造成一定的经济
损失，但是通过常规电气试验无法准确进行判断，需要严格按照规程要求定期开展相位差、比差试验，发现故障及时处理，确保互感器安全稳定运行。

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